阿西莫夫最新科学指南-下 [美]-第13章

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测量的。分光光度计可以通过某一特定波长的光被吸收的量显示
出颜色的强度（图　12…2）。


图　12…2分光光度计。光束被分为两部分，一部分通过要分析的标本，而另一
部分直接到光电池。因为通过标本的光束被减弱，在光电池中释放的电子比未
被吸收的光束释放的少，所以这两部分光束在示波器上显示出电位差，这样就可
以测量出标本的光的吸收量


［顺便说一下，分光光度计也可以用在其他的化学分析上。如
果让波长连续增加的光通过一种溶液，吸收的量就会平稳地改变，
在某些波长时上升到最大值，而在另一些波长时下降到最小值。
结果形成一种吸收光谱。每一种原子团都有自己特定的一个或几


第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

虽然用淀粉色谱法测定氨基酸非常令人满意，但是在这种方
法发展起来的时候，马丁和辛格研究出了一种更简单的色谱法，叫
做纸色谱法（图　12…3）。各种氨基酸能够在一张滤纸上被分开


图　12…3纸色谱法


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把　
1～2滴不同氨基酸
的混合液滴在滤纸的一个角上，然后把滤纸这一边的边缘浸入丁
醇一类的溶剂中。由于毛细作用，溶剂沿着滤纸慢慢地移动。（将
吸水纸的一角浸入水中，你就会看到这种现象。）溶剂经过液滴时
顺便带上氨基酸分子，因而使氨基酸分子也沿着滤纸移动。如同
淀粉色谱法一样，每种氨基酸都以特定的速率沿滤纸移动。过一
段时间以后，混合液中的各种氨基酸便在滤纸上分成一系列的斑
点。有些斑点可能含有两种或三种氨基酸。要把这些氨基酸再分
开，需要等滤纸干燥以后，把滤纸从原来的位置旋转　
90度，然后把
新的边缘浸入第二种溶剂中，这种溶剂将把这几种氨基酸再分别
沉积成几个斑点。最后，待整张滤纸干燥以后，再用化学药品冲
洗，使氨基酸的斑点带色或变黑。这真是一种富有戏剧性的奇观：
原来混合在一种单一溶液中的各种氨基酸，现在布满整张滤纸，就
像一幅由彩色斑点拼成的工艺品。有经验的生物化学家根据斑点
所占的位置，能够识别出每一种氨基酸，几乎一眼就能看出原蛋白
质的成分。把一个斑点溶解，他们甚至能够测量出这种蛋白质中
某种氨基酸的含量。由于对这项技术的发展，马丁和辛格获得　
1952年的诺贝尔化学奖。

（1952年，马丁同詹姆斯一起，把这种技术原理应用在分离气
体上。各种气体或蒸汽的混合物可以利用氮或氦一类惰性载气的
气流通过液态溶剂或吸收性固体的表面。混合的气体通过后，在
另一端出现时就分开了。这种气相色谱法特别有用，因为它分离
速度快，而且非常精密，能够探测出痕量的杂质。）

色谱分析准确地估计出了各种蛋白质的每一种氨基酸含量。
例如，已经发现，一种被称为血清清蛋白的血液蛋白质分子，含有　
15个甘氨酸、45个缬氨酸、　
58个亮氨酸、　
9个异亮氨酸、　
31个脯氨
酸、33个苯丙氨酸、　
18个酪氨酸、　
1个色氨酸、　
22个丝氨酸、　
27个


第十二章　蛋白质

第十二章　蛋白质

苏氨酸、32个胱氨酸、4个半胱氨酸、6个甲硫氨酸、25个精氨酸、　
16个组氨酸、　
58个赖氨酸、　
46个天门冬氨酸和　
80个谷氨酸，总计
有　
18个不同类型的　
526个氨基酸，分子量约为　
69　000。（除了这　
18种以外，还有一种普通的氨基酸，叫做丙氨酸。）

德国血统的美国生物化学家布兰德提出了一套代表各种氨基
酸的符号，现在已被普遍采用。为了避免与元素符号相混淆，他用
每一种氨基酸英文名字的前三个字母来为其命名，而不是只用第
一个字母。其中有几个比较特殊：　
CyS代表胱氨酸，以表明它的两
半通常被连接到两种不同的链上；半胱氨酸用　
CySH代表，以区别
于胱氨酸；异亮氨酸的符号是　
Ileu而不是　
Iso，因为　
Iso是许多化
学名词的字头。

用这种符号，血清清蛋白的分子式可以写成：　
Gly15Val45Leu58　
Ileu9Pro31Phe33Tyr18Try1Ser22Thr27CyS32CyHS4Met6Arg25His16Lys58　
Asp46Glu80。应该承认，分子式这样写比较简洁，但念起来并不顺
口。

分析肽链

发现一种蛋白质的经验式只是工作的一半——实际上远不到
一半，更为艰巨的工作是破译一种蛋白质分子的结构。有充分的
理由相信，每一种蛋白质的性质完全取决于所有那些氨基酸在分
子的链上是怎样（按什么次序）排列的。这就给生物化学家提出了
一个难题。即使每种氨基酸只用一次，　
19种氨基酸在一条链上可
能的排列方式也有大约　
12亿亿种。如果你觉得这个数目难以置
信，试求　
19×18×17×16×……的值，这就是求有多少种可能的
排列方式的方法。如果你不相信算术，可以找出　
19个棋子，在棋
子上依次标上　
1至　
19，看看你能把它们排列成多少种不同的次
序。我保证，这个游戏你很快就会玩不下去的。


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如果你有一个像血清清蛋白那样由　
500多个氨基酸组成的蛋
白质，那么它可能的排列方式就会有大约　
1×10600种，即在　
1的后
面加　
600个零。这简直是一个大得难以相信的数目，比整个已知
宇宙中亚原子粒子的数目还要大得多。换句话说，就此而言，即使
把这些粒子都压结实，宇宙也远远容纳不下。

虽然在那么多可能的排列方式中，要弄清楚一个血清清蛋白
分子到底属于哪一种，似乎是没有希望的，但是这类问题实际上已
经得到了处理和解决。　


1945年，英国生物化学家桑格着手确定一条肽链中氨基酸的
排列次序。他首先试图鉴定出肽链一端（氨基端）的氨基酸。

显然，这一端的氨基酸（称做　
N末端氨基酸）的氨基是游离
的，就是说，不与另一个氨基酸相连接。桑格使用了一种能够与游
离的氨基结合、但不能与已经跟羧基连接的氨基结合的化学药品，
制取了肽链的一种　
DNP（二硝基苯酚）衍生物。利用　
DNP，他可以
标记出　
N末端氨基酸。因为把　
DNP结合在一起的键比把链上的
氨基酸结合在一起的键力量大，所以它能够把链分解成单个的氨
基酸，并把带有　
DNP标记的那一个氨基酸分离出来。碰巧　
DNP
基为黄色，因此这种特殊的氨基酸同其　
DNP标记一起，在纸色谱
图上呈现为一个黄色的斑点。

因此，桑格能够分离并鉴定出一条肽链的氨基端的氨基酸。
用同样的方法，他鉴定出链另一端的氨基酸——含有一个游离羧
基的氨基酸，叫做　
C末端氨基酸。他还多次把一条肽链中的一些
其他氨基酸一个一个地切割下来，并鉴定出它的末端顺序。

桑格进而研究整条肽链。他选用的是胰岛素。这种蛋白质有
两个优点：一是它对人体的功能有非常重要的作用；二是它是一种
比较小的蛋白质，胰岛素的最简式分子量只有　
6　000。DNP处理
表明，这种蛋白质分子由两条肽链组成，因为它含有两种不同的　
N　


第十二章　蛋白质

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末端氨基酸。这两条链是由一些胱氨酸分子连接起来的。桑格用
化学的方法断开胱氨酸中两个硫原子之间的键，把胰岛素分子分
成它的两条肽链，每一条都完整无损。其中一条链的　
N末端氨基
酸为甘氨酸（称之为　
G链），另一条链的　
N末端氨基酸是苯丙氨酸
（称之为　
P链）。现在可以对这两条链分别进行研究了。

桑格和他的同事塔皮首先把　
G链和　
P链分解成单个的氨基
酸，从而鉴定出组成　
G链的　
21个氨基酸和组成　
P链的　
30个氨基
酸。接着，为了了解排列顺序的情况，他们就把　
G链和　
P链分解
成由　
2～3个氨基酸组成的碎片，而不分解为单个的氨基酸。这个
任务可以通过部分水解的方法来完成，水解仅断开链中比较弱的
键；也可以通过用某些消化物质攻击胰岛素的方法来完成，这些消
化物质只断开氨基酸之间的某些键而不损害其他键。

利用这些方法，桑格和塔皮把　
G链和　
P链分别分解成许多不
同的片段。例如，把　
P链分解成　
48个不同的片段，其中由　
2个氨
基酸（二肽）组成的片段　
22个，由　
3个氨基酸组成的片段　
14个，由　
3个以上的氨基酸组成的片段　
12个。

经过分离的各种小的肽，用纸色谱法可以再分解成单个的氨
基酸。现在研究者们准备测定这些片段中氨基酸的顺序了。假如
他们有一个由缬氨酸和异亮氨酸组成的二肽。问题会是：顺序是　
Val－Ileu还是　
Ileu－Val？换句话说，N末端氨基酸是缬氨酸还是
异亮氨酸？（氨基以及相继的　
N末端单元，通常认为在一条链的
左端。）对此，　
DNP标记可以回答这个问题。如果　
DNP标记出现
在缬氨酸上，那么，缬氨酸就是　
N末端氨基酸，从而可以确认这个
二肽的排列顺序是　
Val－Ileu。如果　
DNP标记出现在异亮氨酸
上，排列顺序则为　
Ileu－Val。

一个由　
3个氨基酸组成的片段，其排列顺序也可以确定出来。
假如一个片段的组成是亮氨酸、缬氨酸和谷氨酸。　
DNP试验可以


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首先鉴定出　
N末端氨基酸。比方说，如果是亮氨酸，那么，排列顺
序不是　
Leu－Val－Glu就是　
Leu－Glu－Val。然后人工合成这两
种组合，并分别滴在滤纸上，使成为色谱图上的斑点，再看看哪一
种组合在滤纸上占的位置与被研究的片段所占的位置相同。

对于含有　
3个以上氨基酸的肽，可以把它们先分解成比较小
的片段，然后再进行分析。

用这种方法把胰岛素分子分成的所有片段的结构确定以后，
下一步就是按照它们在链中的正确次序，把这些片段连接在一
起——就像小孩玩拼板玩具那样。这里有许多线索可寻。例如，
已知　
G链只含有　
1个单位的氨基酸——丙氨酸，在从分解　
G链所
得到的肽混合物中，发现丙氨酸有两种组合方式：丙氨酸　
…丝氨酸
和肽氨酸…丙氨酸。因此，在完整的　
G链中，排列次序一定是　
CyS－Ala－Ser。

利用这些线索，桑格和塔皮逐渐地把这些片段拼到了一起。
把所有的片段都确认出来，并以完全满意的顺序把它们排列出来，
要花费几年的时间。但是到了　
1952年，他们就研究出了　
G链和　
P
链中所有氨基酸的精确的排列次序，接着他们继续研究两条链是
怎样连接起来的。1953年，他们宣布终于胜利地破译了胰岛素的
结构。一种重要的蛋白质分子的全部结构第一次被研究出来了。
由于这一成就，桑格获得了　
1958年的诺贝尔化学奖。

生物化学家们立即采用桑格的方法来确定其他蛋白质分子的
结构。1959年，攻克了核糖核酸酶，这是一种由含有　
124个氨基
酸的单个肽链组成的蛋白�